Erhaltungssätze

Erhaltungssätze, in der Physik eine Anzahl von Gesetzen, nach denen in einem abgeschlossenen System bei jedem physikalischen oder chemischen Vorgang bestimmte messbare Größen stets konstant sind, ihre Werte also erhalten bleiben. Viele Wissenschaftler sehen die Erhaltungssätze als die fundamentalen Gesetze der Physik an. 1774 stellte der französische Chemiker Antoine Lavoisier als Erster ein solches Gesetz auf (Gesetz von der Erhaltung der Masse). Danach bleibt bei jeder chemischen Reaktion die Gesamtmasse aller Reaktionspartner konstant. In allgemeinerer Form lautet dieser Satz: Die Gesamtmasse in einem abgeschlossenen System bleibt gleich. Abgeschlossen bedeutet hier, dass weder Masse- noch Energieumsatz mit der Umgebung stattfindet.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erkannte man, dass Energie in verschiedenen Formen auftritt: als kinetische (Bewegungsenergie), potentielle (Lageenergie) oder als thermische (Wärmeenergie). Ferner stellte man fest, dass eine vorliegende Energiemenge meist in andere Energieformen überführt werden kann. Nachdem diese Sachverhalte bekannt waren, war man in der Lage, die Gesetzmäßigkeiten der Energieerhaltung ausführlicher zu formulieren. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik bleibt die Summe von kinetischer, potentieller und thermischer Energie in einem abgeschlossenen System konstant. In der klassischen Mechanik gibt es außerdem den Impulserhaltungssatz und die Sätze von der Erhaltung des Drehimpulses sowie der Schwerpunktbewegung.

Im Jahr 1905 konnte Albert Einstein zeigen, dass nach seiner Speziellen Relativitätstheorie Masse und Energie äquivalent sind (Trägheit der Energie). Also erforderten die beiden separaten Erhaltungssätze eine neue, umfassendere Formulierung. Danach bleibt die Summe aus gesamter Masse und gesamter Energie in einem abgeschlossenen System stets erhalten. Der Satz von der Erhaltung der Masse kann bei rein chemischen Reaktionen beispielsweise weiter als gültig angesehen werden, weil die hier auftretenden Energieänderungen zu Massenänderungen führen, die keinesfalls messbare Größenordnungen erreichen. Bei Kernreaktionen trifft das aber nicht zu, denn dabei werden messbare Materiemengen in Energie umgewandelt.

Die Gültigkeit von Erhaltungssätzen hängt eng mit den zugrunde liegenden Symmetrien zusammen. Das gilt auch auf der Ebene der Elementarteilchen. So beruht z. B. die Erhaltung der Baryonenanzahl während der Wechselwirkungen von Teilchen offenbar auf einer grundlegenden so genannten Eichsymmetrie, ebenso wie die Erhaltung der elektrischen Ladung.